BAB IV TINJAUAN MENGENAI SENSOR LASER

BAB IV

TINJAUAN MENGENAI SENSOR LASER

4.1 Laser

Laser atau sinar laser adalah singkatan dari Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, yang berarti suatu berkas sinar yang diperkuat dengan cara merangsang pembentukan pancaran (emisi) dan radiasi.

Sinar laser dibandingkan dengan berkas sinar biasa mempunyai beberapa perbedaan penting, antara lain :

1. Laser mempunyai sifat terkolimasi yang sangat tinggi. Artinya berkas sinar laser mempunyai sudut pancaran yang sangat kecil sehingga dapat diarahkan pada arah tertentu dalam bentuk berkas sinar yang sempit untuk jarak yang cukup jauh.

2. Laser memiliki intensitas yang sangat tinggi, artinya daya per satuan luas dalam berkas sinar laser sangat tinggi. Sebagai contoh, suatu berkas langsung sinar laser sebesar 0,0006 Watt mempunyai intensitas yang lebih tinggi dibandingkan dengan lampu dengan daya sebesar 100 Watt. (Pitono, 1981).

3. Sinar laser merupakan gelombang monokromatik. Artinya sinar laser memancarkan sinar atau cahaya dari satu panjang gelombang saja.

4. Sinar laser mempunyai sifat koheren, yaitu sifat yang menyatakan bahwa jika dua

buha berkas sinar laser berinterferensi maka beda fasa dari kedua sinar laser

tersebut konstan walaupun fasa masing-masing sinar dapat berubah. Sifat koheren

ini berhubungan dengan daya yang dihasilkan sinar laser dan kemampuan untuk membuat berkas sinar yang sangat kecil.

4.2 Spektrum Gelombang Elektromagnetis

Gelombang pada dasarnya hanyalah suatu cara perpindahan energi dari satu tempat ke tempat.Contoh sederhananya dapat kita lihat pada gelombang air. Ketika gelombang merambat pada permukaan air, yang melakukan perpindahan adalah energinya saja, sedangkan molekul-molekul air hanya melakukan gerak melingkar di sekitar kedudukan mulanya. Energi dipindahkan melalui pergerakan lokal yang relatif kecil pada lingkungan sekitarnya.

Sedangkan energi pada sinar berjalan karena perubahan lokal yang fluktuatif pada medan listrik dan medan magnet, oleh karena itu disebut radiasi elektromagnetik. Gambar 4.1 memberikan ilustrasi mengenai suatu berkas sinar yang memiliki bentuk seperti gelombang.

Gambar 4.1 Gelombang

Setiap gelombang mempunyai satu puncak dan satu lembah, di mana jarak antara dua puncak atau dua lembah dapat disebut sebagai panjang gelombang (wavelength , λ).

Banyaknya puncak yang merambat melewati satu titik disebut dengan frekuensi

gelombang (υ), di mana frekuensi diukur dengan satuan putaran per detik atau Hertz (Hz). Berikut adalah hubungan antara panjang gelombang dan frekuensi.

c = λ υ ^(4.1)

di mana:

c = kecepatan cahaya υ = frekuensi

λ = panjang gelombang

Dari hubungan di atas dapat terlihat bahwa semakin besar panjang gelombang, maka semakin kecil frekuensinya, demikian pula sebaliknya. Setiap frekuensi mempunyai hubungan dengan energi :

E = h υ ^(4.2)

di mana:

E = energi cahaya h = konstanta planck υ = frekuensi

Dalam spektrum gelombang elektromagnetik dikenal beberapa jenis gelombang seperti x-

ray, ultraviolet, cahaya tampak, infra merah, microwave, dan gelombang radio. Gambar

4.2 menunjukkan pembagian spektrum gelombang elektromagnetik berdasarkan panjang

gelombang dan frekuensinya.

Gambar 4.2 Spektrum Gelombang Elektromagnetik

Dalam spektrum gelombang elektromagnetik, cahaya tampak (visible light) terletak di antara ultraviolet dan inframerah, dengan panjang gelombang berkisar 380 hingga 740 ηm, seperti yang ditunjukkan gamabr 4.3.

Gambar 4.3 Visible Light

4.3 Sensor Laser

Lidar adalah sistem pengideraan dengan memanfaatkan sinar laser. Prinsip kerjanya

adalah dengan menghitung jarak berdasarkan informasi selang waktu yang dibutuhkan

sinar laser menempuh perjalanan dari pemancar, memantul pada objek hingga kembali

pada receiver.

Gambar 4.4 Prinsip kerja LIDAR

Sistem LIDAR terdiri dari beberapa komponen seperti :

1. Sinar laser, umumnya digunakan spektrum ultraviolet, near-infrared, serta cahaya tampak (visible light).

2. Scanner dan alat optik, yaitu alat untuk menembakkan sinar laser serta alat optik untuk membagi arah tembak sinar laser.

3. Receiver, yaitu alat untuk menerima sinar laser yang ditembakkan oleh scanner.

4.4 Sensor Laser pada Airborne LIDAR

Airborne LIDAR adalah suatu metode pemetaan dengan menggunakan sensor LIDAR pada wahana terbang, umumnya pesawat terbang atau helikopter. Sensor LIDAR menembakkan sinar laser dari wahana terbang ke arah permukaan bumi dengan sudut pancaran tertentu, sehingga didapatkan informasi jarak antara wahana terbang dengan permukaan bumi. Jika posisi wahana terbang dapat diketahui dengan GPS dan INS, serta jarak antara wahana terbang dan permukaan bumi dapat diketahui dengan sensor LIDAR, maka titik-titik di permukaan bumi dapat diketahui posisinya. Karateristik dari sistem LIDAR dapat dilihat pada tabel di bawah ini.

SCANNER /RECEIVER

OBJEK SINAR LASER

Lama waktu tempuh (t)

d

d = t/2 x kecepatan cahaya

Tabel 4.1 Spesifikasi Laser Scanner Airborne LIDAR

Spesification Typical Value

Wavelength 1.064 μm

Pulse Repetition Rate 5 – 33 kHz (50 kHz max)

Pulse Energy 100s μJ

Pulse Width 10 ns

Beam Divergence 0.25 – 2 mrad

Scan Angle (Full Angle) 40° (75° max)

Scan Rate 25 – 40 Hz

Scan Pattern zig-zag, parallel, elliptical, sinusoidal

GPS Frequency 1 – 2 times per second

INS Frequency 50 (200 max)

Operating Altitude 100 – 1000 m (6000 m max)

Footprint 0.25 – 2 m (from 1000 m)

Multiple Elevation Capture 1 – 5

Grid Spacing 0.5 – 2 m

Vertical Error 15+ cm

Horizontal Error 10 – 100 cm

Sumber : Fowler, 2001

Airborne LIDAR dapat dibedakan menjadi dua berdasarkan spektrum sinar yang digunakan, yaitu :

1. Airborne tophographic LIDAR, yang menggunakan spektrum sinar near- infrared, untuk memetakan permukaan bumi yang tidak tertutupi dengan air.

2. Airborne LIDAR bathymetry, yang menggunakan spektrum sinar biru/hijau,

untuk mengukur kedalaman perairan hingga 50 meter.

Berkas sinar Spektrum sinar biru atau hijau dapat merambat pada badan air dengan baik hingga kedalaman 30 hingga 40 meter, sehingga sangat cocok untuk mengukur kedalaman perairan dangkal. Sedangkan berkas sinar spektrum infra merah sebagian besar dipantulkan pada permukaan air. Sehingga jika sistem airborne LIDAR menembakkan berkas sinar laser infra merah dan sinar biru/hijau secara serentak, dapat diketahui informasi kedalaman pada suatu perairan.

4.5 Multiple Return

Keunggulan utama dari sistem Airborne LIDAR adalah kemampuan untuk melakukan pengukuran multiple return (multi pantulan) dari setiap pulsa yang dipancarkan, sehingga sistem ini dapat memetakan tutupan lahan suatu daerah mulai dari yang paling atas hingga permukaan bumi. Banyaknya pantulan yang dapat dideteksi oleh sistem airborne LIDAR adalah dua hingga lima pantulan. Gambar 4.5 menunjukkan kemampuan sistem airborne LIDAR melakukan pengukuran multiple return.

Gambar 4.5 Sensor LIDAR yang menghasilkan lebih dari satu pantulan [www.airbornelasermapping.com]

PANTULAN PERTAMA

PANTULAN KEDUA

4.6 Faktor-faktor yang mempengaruhi kekuatan laser pada LIDAR

Kemampuan penetrasi sinar laser pada sistem LIDAR sangat bergantung pada medium yang dilewatinya, apakah itu udara, tutupan lahan permukaan bumi, maupun dasar perairan. Beberapa faktor yang mempengaruhi kekuatan pulsa LIDAR adalah:

1. Kondisi cuaca di bawah wahana udara seperti adanya asap, kabut, dan hujan.

2. Komposisi vegetasi dan objek-objek pada permukaan bumi yang mempengaruhi reflektifitas dan kemampuan penetrasi.

3. Background noise yaitu efek pantulan sinar matahari.

Sedangkan faktor-faktor lainnya pada sistem airborne LIDAR juga berpengaruh terhadap data yang dihasilkan, antara lain:

− Besar sudut scanning

− Panjang gelombang sinar laser

− Karakteristik receiver yang digunakan

− Banyaknya gelombang sinar laser yang dipancarkan

− Tinggi terbang wahana udara.

4.7 Prinsip Scanning Sensor Laser pada Airborne LIDAR

Sistem airborne LIDAR mengunakan pancaran berkas sinar laser yang mempunyai

kecepatan rambat 299.792,458 km per detik atau dapat dibulatkan menjadi 300.000 km

per detik. Dengan jarak pengukuran dari sensor laser ke permukaan tanah yang maksimal

hanya berjarak 6 km, maka satu berkas sinar laser akan menempuh jarak sekitar 12 km

mulai dari transmitter hingga kembali lagi ke receiver. Jarak 12 km itu dapat ditempuh

dalam waktu 4 x 10

^-5

detik.

Sementara kemampuan sensor laser untuk memancarkan sinar laser adalah 5000 hingga 50.000 pancaran per detiknya, atau dapat menembakkan satu berkas sinar laser dalam 2 x 10

^-4

detik hingga 2 x 10

^-5

detik.

Berkas sinar laser ditembakkan secara beruntun dan diarahkan sesuai dengan pola scan melalui cermin yang dapat bergerak seperti yang ditunjukkan gambar 4.6. Cermin berputar untuk memantulkan berkas sinar laser agar merambat sesuai dengan jalur sapuan. Sudut yang dibentuk dari sapuan sinar laser ini berkisar antara 20° hingga 75°.

Gambar 4.6 Prinsip scanning sensor laser. Transmitter menembakkan laser (1) diarahkan oleh cermin yang bergerak (3) ke arah sudut scan yang diinginkan (2).

[Hvidegaard, 2006]

Sensor laser tidak akan salah mengidentifikasi sinar laser yang masuk pada receiver, jika

waktu tempuh berkas sinar lebih cepat dari sela waktu antara penembakkan dua berkas

yang berurutan, di mana sela waktu ini bergantung pada banyaknya berkas sinar yang

ditembakkan setiap detiknya.

4.8 Metode Pemetaan dengan Menggunakan Sensor Lain pada Wahana Terbang

Selain airborne LIDAR, terdapat beberapa metode pemetaan lainnya yang memanfaatkan wahana terbang tetapi menggunakan sensor yang berbeda seperti Fotogrametri dan IFSAR. Dibandingkan dengan kedua metode tersebut, airborne LIDAR mempunyai beberapa keunggulan yaitu :

a. Airborne LIDAR vs Fotogrametri

Airborne LIDAR menggunakan sumber energi aktif sedangkan sumber energi fotogrametri bersifat pasif yaitu sinar matarahi sehingga sangat bergantung pada waktu, keadaan cuaca, dan arah sinar matahari.

Dan sistem Airborne LIDAR mampu memetakan satu hingga lima layer tutupan lahan, sedangkan fotogrametri hanya dapat memetakan satu layer paling atas dari tutupan lahan.

b. Airborne LIDAR vs IFSAR

Secara umum, ketelitian posisi titik yang dihasilkan oleh airborne LIDAR

lebih tinggi daripada yang dihasilkan IFSAR., dan mampu menghasilkan

data multilayer berbanding dengan satu layer. Tetapi sistem IFSAR dapat

dioperasikan pada elevasi yang lebih tinggi sehingga mampu mencakup

daerah yang lebih luas pada satu rentang waktu.